影响土壤团聚体稳定性因素的研究进展

文|王迪晨 罗伟

团聚体是土壤结构的基础，影响土壤的各种理化性质。在粮食安全和生态环境关注程度不断提高的今天，采取什么方式进行耕种能够防止耕地质量退化，对退耕地如何利用，不同侵蚀营力会对团聚体产生什么样的影响等问题需要得到回答。通过对团聚体稳定性因素研究进展的总结，保护性耕作有利于增加土壤团聚体的稳定性和形成，对于退耕地需要根据土壤厚度及当地条件适当选择还林、还茶、撂荒等方式，雨滴击溅、冻融循环次数对土壤团聚体影响相对显著。

土壤团聚体指土粒通过各种自然过程的作用而形成的直径<10 mm的结构单位。按照粒径级别可分为：大团聚体，直径>0.25 mm的团聚状结构单位；微团聚体，直径<0.25 mm的团聚状结构单位；按照稳定性可分为：稳定性团聚体：抗外力分散的土壤团聚体；水稳性团聚体：抗水力分散的土壤团聚体；非稳定性团聚体：外力易分散的土壤团聚体。土壤团聚体是良好的土壤结构体，其特点是多孔性与水稳性，具体表现在土壤孔隙度大小适中，持水孔隙与充气孔隙的并存，并有适当的数量和比例。因而使土壤中的固相、液相和气相相互处于协调状态，所以一般都认为，团聚体多是土壤肥沃的标志之一。因此，土壤团聚体的稳定性与土壤肥力是密切相关的，影响团聚体稳定性的因素直接关系到土壤肥力的状况。所以研究探索影响团聚体稳定性的因素对改良土壤和提高土壤肥力具有重要的生产意义。

一、土壤团聚体的形成

土壤团聚体形成的过程是一个渐进的过程。大体上可分为两个阶段。第一阶段是矿物质和次生粘土矿物颗粒，通过各种外力或植物根系挤压相互粘结，凝聚成复粒或团聚体。第二阶段是团聚体或复粒再经过胶结、根毛和菌丝体的固定作用形成团聚体。在自然界中实际上这两种作用是很难截然分开的，在一定条件下，单粒可直接形成团聚体。

二、影响团聚体稳定性的因素

（一）耕作对团聚体稳定性的影响

同一母质发育的土壤因耕作方式不同，团聚体的组成和数量都可发生很大的变化，这说明耕作方式对土壤团聚体的形成具有较大的影响。耕作对土壤的影响主要是改变了土壤有机碳的分布和微生物的活动生境，为土壤有机物质的分解转化创造了条件及由此造成的团聚体的变化。耕作强度增加可促进土壤有机质周转，减少土壤团聚作用的发生。耕作方式主要有两种：保护性耕作和传统耕作。其中保护性耕作包括：旋耕、少耕、免耕（免耕不覆盖，免耕＋秸秆还田），深松；传统耕作包括：翻耕，传统耕作＋秸秆还田。

1.保护性耕作对土壤团聚体的数量的影响

保护性耕作可减少机械和人为因素对土壤的扰动，不仅减缓了团聚体的周转速率，还促进了土壤自身的调节作用，有利于土体结构稳定性的保持；秸秆还田可有效缓解雨滴对土壤的打击力，进而减少团聚体的破碎。

研究表明，第一，不同耕作方式会导致土壤团聚体的含量发生变化，免耕处理有利于耕层（0-20 cm）土壤团聚体的形成，并且具有较高的水稳性；旋耕处理虽然会提高0-5 cm层水稳性团聚体的含量，但5-30 cm层水稳性团聚体的含量反而降低。

第二，在保护性耕作中，免耕＋秸秆覆盖、免耕2种处理均可不同程度提高直径＞0.25 mm团聚体含量和平均重量直径，降低团聚体破碎率，提升团聚体稳定性，其中免耕＋秸秆还田处理综合表现最佳。

第三，土壤团聚体指数MWD和GMD值是评价土壤团聚体稳定性的重要指标，MWD和GMD值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强。免耕可以改善土壤紧实度，能够提高土壤MWD值并降低团聚体破坏率。

另外，与传统耕作相比，深松、旋耕、免耕措施能提高土壤0-40 cm深度大团聚体含量及有机碳贡献率和团聚体平均重量直径，减少微团聚体和黏砂粒含量及其有机碳贡献率。同时少耕和免耕措施能提高所有深度总有机碳含量和0-10 cm耕层中各级别团聚体有机碳含量。裸地隔年深松比连年深松能更有利于大团聚体形成与稳定及土壤总有机碳和各级别团聚体有机碳的积累，该趋势在0-30 cm耕层表现更为明显。同时深松比浅松、秸秆还田比不还田更能在土壤各层次上促进土壤总有机碳和所有级别团聚体的有机碳含量及大团聚体的形成与稳定，并促使有机碳向大团聚体转移。

2.传统耕作对土壤团聚体的数量的影响

在传统耕作中，翻耕可使耕层土壤保持较低的容重值，但不利于土壤团聚体尤其是水稳性团聚体的形成。研究表明，在同一耕作方式下不同种植方式的土壤大团聚体含量变化趋势不同。传统耕作条件和免耕条件下的传统种植处理、免耕+秸秆还田条件下带状种植处理的风干大团聚体含量显著高于同一耕作方式下的其他种植处理。传统耕作条件下传统种植处理、免耕条件下带状种植处理、免耕+秸秆还田条件下作物套种处理的水稳性大团聚体含量较同一耕作方式下的其他种植处理具有显著优势。

综上可知，与传统耕作相比，保护性耕作可以提高表层上壤的团聚体的含量，增加其结构稳定性。保护性耕作制度下土壤各级别团聚体的颗粒有机碳含量明显高于传统耕作。另外，在免耕+秸秆还田下，土壤中的动物(如蚯蚓、部分昆虫等)繁殖较快，也促进了土壤团粒结构的形成。

（二）土地利用方式对团聚体稳定性的影响

近年来的研究表明，同母质发育的土壤因利用方式不同，其团聚体的组成和数量都可能发生很大的变化。土地利用方式主要有休闲、撂荒、菜园、果园、林地、茶园等。其中，休闲地是指不种作物，不施肥，人工清除杂草，固定时期耕作一次；撂荒地是指不做任何人为扰动。土地利用方式的改变可影响土壤团聚体稳定性及团聚体结合有机碳的能力，具体表现如下：

第一，与种植作物相比，长期休闲没有显著影响土壤团聚体的稳定性，长期撂荒明显改善土壤团聚体稳定性。在种植作物条件下，长期施肥显著影响土壤机械稳定性和水稳性团聚体的含量和分布，但是施肥对土壤团聚体稳定性没有显著影响。

第二，不同农业利用方式下，对菜园、果园和农田土壤团聚体的组成及稳定性进行研究，总体来看，果园土壤的结构性随着种植年限的增加逐渐变好，而菜园土壤的结构性有变差的趋势，其主要原因是菜园土壤长期处于生产状态，频繁灌溉，大量地使用无机化肥，导致土壤结构退化，土壤团聚体的机械稳定性与土壤结构稳定性的变化趋势基本上一致。

第三，不同利用方式下，团聚体稳定性有很大差异，体现在旱作大粒径团聚体（粒径＞1 mm）稳定性是高于水田的，小粒径团聚体（粒径1-0.25 mm）稳定性小于水田。水田方式比旱作方式更有利于有机碳的积累，水田有机碳化学稳定性较旱作更为稳定。

第四，研究表明，水田和林地土壤团聚体稳定性保持在较高水平，而旱地、果园利用方式则大幅降低了土壤团聚体的稳定性。水田和林地利用方式对土壤结构性破坏较小，对土壤有机质的保持作用明显，有利于维持农田生态系统的可持续利用；旱地和果园利用方式则对土壤团聚体破坏较多，易造成农田土壤的侵蚀和肥力下降。

第五，土地利用方式对团聚体稳定性具有重要的影响，水田和林地利用方式下土壤团聚体稳定性保持在较高水平，而旱地、果园利用方式则大幅降低了土壤团聚体的稳定性，从而导致土壤稳定性降低、土壤肥力下降等土壤退化现象。

（三）退耕还林后团聚体稳定性的变化

退耕还林是指在水土流失严重或粮食产量低而不稳定的坡耕地和沙化耕地，以及生态地位重要的耕地，退出粮食生产，植树或种草。退耕地作为一种重要的土地资源，对其进行植被恢复和重建，将有助于提高土地生产力，减缓水土流失，对生态环境的改善有着重要的实践意义。

1.退耕还林对团聚体稳定性的影响

退耕还林还草使得土壤团聚体水稳性提高，进而提高了土壤的抗蚀性，并且恢复时间越长，土壤抗侵蚀能力越强。相对于农用地，人工林地和多年撂荒地土壤团聚体更加稳定，土壤吸持水分和抗侵蚀的能力更强。农地退耕后，小粒级团聚体向大粒级团聚体转化。土壤有机质含量在退耕还林地中最大，在农地最小。这主要是由于地上植物的枯枝落叶是土壤有机碳的主要来源之一，地表植物的生长状况和生物量影响土壤有机碳含量。而农地耕种、除草、施肥、收获等人为干扰频繁，导致地表植被、凋落物数量少。一方面，有机质的归还量减少，另一方面，加速土壤有机碳的分解，最终使得土壤有机质含量降低，进而影响土壤中团聚体的稳定性。

2.不同退耕方式对团聚体稳定性的影响

土壤团聚体对退耕地植被恢复与重建有十分重要的作用，是土壤肥力的物质基础，也是土壤保水、保肥的基础，其抗蚀性直接影响着土壤水肥库作用的持续性；具有良好团聚体结构的土壤，不仅具有高度的空隙性和持水性，而且有良好的通透性，在植物生长期能够很好的调节植物需要的水、肥、气、热诸因素，对植被的恢复和重建有着很大的促进作用。

团聚体稳定性与土壤有机碳含量密切相关，植被恢复促进了土壤有机质的恢复，从而促进了团聚体的形成，提高了团聚体的稳定性，植被恢复时间越长，土壤有机碳含量越高，土壤团聚体水稳性程度也越好，退耕后的土地不同层、不同粒径之间团聚体和有机碳的含量也有差异。土地退耕方式可分为：退耕还林、退耕还草、退耕还茶、退耕撂荒。众多研究表明：0-20 cm和20-40 cm土层，退耕还茶地水稳性团聚体占总团聚体的比例均以直径＜0.25 mm的含量最大，且与其他粒径间存在极显著差异。除2-1 mm粒径外，不同土层退耕还茶地土壤的粒级水稳性团聚体含量与退耕还林地同粒级水稳性团聚体含量差异不显著；在干筛处理下，不同土层退耕撂荒、退耕还林和退耕还茶随粒径的减小土壤团聚体含量均表现为先降低后增加再降低的变化趋势，退耕对同一粒径风干团聚体含量的影响较小，但对不同土层风干团聚体含量影响较大。在湿筛处理下，不同土层退耕撂荒、退耕还林和退耕还茶随粒径的减小土壤团聚体含量表现为先降低后增加的变化趋势，退耕对同一粒级水稳性团聚体含量影响较大。

退耕撂荒、退耕还林和退耕还茶地0-20 cm土层各个粒径团聚体有机碳含量基本高于20-40 cm，且随着粒径的减小，土壤团聚体中有机碳含量总体呈逐渐减低的趋势。0-20 cm土层退耕还茶与退耕撂荒地土壤团聚体中有机碳含量较退耕还林地高，20-40 cm土层，退耕撂荒地土壤团聚体中有机碳含量最高。可见，不同退耕方式对土壤团聚体中有机碳含量的影响存在一定差异。因此，在实际的农业生产中，应考虑土壤稳定性及其碳吸存的作用，选择合理的退耕方式，以协调区域土地利用及调控管理。

（四）侵蚀方式对团聚体稳定性的影响

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其稳定性是影响土壤侵蚀的重要因素之一。土壤侵蚀必然会导致土壤团聚体的破碎和流失。在当前的研究中，以水力侵蚀和冻融侵蚀对团聚体稳定性的影响的研究居多。

1.水力侵蚀对团聚体稳定性的影响

水力侵蚀对团聚体的影响主要是通过降雨雨滴特点和坡面水流特性对土壤团聚体颗粒的剥蚀和搬运来实现的，降雨强度的大小与雨滴的直径和能量密切相关，雨滴能量越大通过溅散作用使更多微团聚体颗粒脱离土壤表层，进而被薄层径流挟带流失，在较小雨强时，雨滴打击作用主要是对土壤团聚体进行拆分，薄层水流则主要对分散的土壤团聚体进行搬运，但其搬运能力不足以搬运粒径较大的团聚体；在较大雨强时，雨滴打击对土壤团聚体的拆分作用进一步增加，导致流失的团聚体以微团聚体为主。

降雨持续，随着土壤入渗率逐渐稳定，坡面径流逐渐增大至稳定，并使坡面形成侵蚀沟，此时决定侵蚀强度的因素为径流量的大小，坡面径流量的大小决定其剪切土壤的能力，土壤侵蚀强度的大小取决于径流剪切能力和土壤团聚体的抗侵蚀能力的相互作用，由于侵蚀沟内形成股流的水深远大于雨滴直径的3-4倍左右，导致雨滴打击对土壤团聚体拆分作用大大减弱，而股流作用使沟头下切和沟壁崩塌增加，从而使土壤团聚体整体进行运移，导致团聚体流失以大粒级团聚体为主；沟蚀阶段，径流分散和搬运作用，以及大团聚体之间摩擦与扰动作用成为团聚体破碎的主要机制。

2.冻融侵蚀对团聚体稳定性的影响

冻融能够影响土壤的化学性质和物理性质，进而影响到土壤的生物区系等特征。有研究结果表明，反复的冻融交替作用对土壤的结构以及性质的影响主要取决于土壤的前期含水率、土壤容重、土壤的孔隙度、冻融温度以及冻融循环次数等条件，以及土壤的化学组成、质地、有机质、土壤中植物根系等等。冻融循环作用反复进行的次数、土壤的初始含水率以及结冻的温度都是影响土壤团聚体稳定性的重要因素。